Autonomous Homeostatic Synthetic Cells via Self-Gating DNA Nanopores

La vida, en todas sus formas, desde la bacteria más pequeña hasta la ballena más grande, comparte un secreto fundamental: la capacidad de permanecer igual mientras todo a su alrededor cambia. Esta estabilidad interna se llama homeostasis. Es la razón por la cual su cuerpo mantiene una temperatura constante incluso cuando el clima cambia, o por la cual los niveles de azúcar en su sangre permanecen equilibrados después de una comida. Los seres vivos logran esto no siendo estáticos, sino detectando constantemente su estado interno y realizando pequeños ajustes automáticos. Detectan cuando un químico es demasiado alto y ralentizan su producción, o detectan cuando es demasiado bajo y la aceleran. Este delicado acto de equilibrio es lo que permite que la vida persista. Para los científicos que intentan construir vida artificial desde cero, crear un sistema que pueda hacer esto por sí mismo ha sido uno de los desafíos más difíciles. La mayoría de las células artificiales son como habitaciones cerradas; una vez que los ingredientes en su interior se agotan, las reacciones se detienen y el sistema muere. Carecen de la capacidad de absorber combustible fresco del mundo exterior y regular esa entrada basándose en lo que sucede en el interior.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Surrey y el University College London ha construido ahora una diminuta célula artificial que puede hacer exactamente esto. Crearon una burbuja microscópica que puede detectar su propia química interna y ajustar automáticamente cuánto combustible deja entrar para mantener su actividad constante. Este sistema, descrito en un estudio reciente, utiliza una combinación ingeniosa de estructuras de ADN y enzimas para crear un bucle de autorregulación. Los investigadores no solo observaron que esto sucedía; construyeron los componentes, los ensamblaron dentro de una burbuja de lípidos y observaron cómo el sistema mantenía un estado estable durante dieciséis horas, un tiempo notablemente largo para una construcción sintética tan simple.

La célula artificial que construyeron es una vesícula gigante unilamelar, que es esencialmente una esfera hueca de una sola capa de moléculas de grasa, similar a la membrana de una célula real. Dentro de esta burbuja, los investigadores colocaron la maquinaria necesaria para fabricar ARN, una molécula que actúa como mensajero y trabajador en los sistemas biológicos. También añadieron un sistema para descomponer el ARN. La innovación crítica, sin embargo, reside en la piel de la burbuja. Los investigadores incrustaron pequeñas estructuras tubulares hechas de ADN en la membrana. Estos poros de ADN actúan como puertas o poros, permitiendo que las moléculas pequeñas pasen a través de ellos. Específicamente, permiten que los ribonucleótidos trifosfato, o rNTP, fluyan desde el entorno exterior hacia el interior de la burbuja. Estos rNTP son los bloques de construcción que la célula necesita para fabricar ARN.

La brillantez del diseño reside en cómo la célula controla este flujo. Los poros de ADN no están permanentemente abiertos; pueden ser bloqueados. Los investigadores programaron el sistema para que, cuando la célula fabrica ARN, también produzca un tipo específico de cadena de ARN que actúa como un bloqueador. A medida que la célula produce más ARN, estas cadenas bloqueadoras se acumulan y taponan físicamente los poros de ADN, deteniendo el flujo de nuevos rNTP. Esto crea un bucle de retroalimentación negativa: cuanto más trabaja la célula, más apaga su propio suministro de combustible. Sin embargo, el sistema no está diseñado para permanecer cerrado. Dentro de la burbuja, una enzima llamada RNasa consume lentamente los bloqueadores de ARN. A medida que los bloqueadores se degradan, los poros se reabren, permitiendo que entren nuevos rNTP y que el ciclo comience de nuevo. Este ciclo continuo de apertura, cierre y reapertura permite que la célula mantenga un nivel constante y estable de producción de ARN, independientemente de cuánto combustible haya disponible en el exterior.

Para demostrar que este sistema funcionaba, los investigadores primero probaron los poros de ADN por separado. Cargaron las burbujas con un tinte rojo y las colocaron en una solución con un tinte verde. Cuando los poros estaban abiertos, el tinte rojo se filtraba hacia afuera y el tinte verde fluía hacia adentro, confirmando que los poros eran funcionales. Luego demostraron que podían detener este flujo añadiendo cadenas bloqueadoras, cerrando eficazmente las puertas. A continuación, demostraron que los poros podían dejar entrar suficientes rNTP para impulsar la maquinaria interna de fabricación de ARN. Cuando añadieron una etiqueta fluorescente que se ilumina solo cuando se une al ARN recién fabricado, las burbujas con poros abiertos brillaban intensamente, mientras que las de poros bloqueados permanecían oscuras.

La prueba final y más significativa fue comprobar si todo el sistema podía mantener la homeostasis. Los investigadores colocaron las células totalmente ensambladas en una solución que contenía rNTP y las observaron a lo largo del tiempo. En las células donde los poros estaban permanentemente abiertos, la producción de ARN seguía aumentando hasta que se agotaban los recursos o se volvía caótica. En las células donde los poros estaban permanentemente cerrados, la producción de ARN se detenía casi inmediatamente. Pero en las células con los poros de ADN autorregulados, los niveles de ARN subieron hasta un punto específico y luego se mantuvieron allí, constantes y estables, durante dieciséis horas. El sistema ajustó automáticamente el flujo de combustible para que coincidiera con la tasa a la que se descomponía el ARN, creando un equilibrio perfecto.

Los investigadores también demostraron que podían ajustar este equilibrio. Al añadir una cadena específica de ADN que actúa como un "umbral", podían capturar algunos de los bloqueadores de ARN antes de que llegaran a los poros. Esto significaba que los poros permanecían abiertos durante más tiempo, permitiendo la entrada de más combustible y resultando en un nivel constante más alto de producción de ARN. Esta capacidad de establecer el nivel objetivo de actividad sin reconstruir todo el sistema sugiere un alto grado de control. El estudio demuestra que, al combinar el transporte, la expresión génica y la degradación en un solo bucle de retroalimentación, es posible crear una célula sintética que se comporte como un organismo vivo, manteniendo su estabilidad interna en un mundo cambiante. Este trabajo proporciona un modelo para construir materiales más complejos y adaptativos, y células artificiales que puedan operar durante períodos prolongados sin intervención humana.